基于位置速度控制的遥操作机器人碰撞预警研究

To improve work efficiency, lighten operational burden on an operator, and improve the security and operability of a teleopertation system when a robot carries out complex task and precise operation, the application proposes a position velocity control strategy for a teleopertation robot system. The strategy considers the master manipulator as an integrator, calculate the expect displacement of the robot by integrating manipulator’s displacement to realize effective correspondence between robot’s velocity with operator’s manual control. The master manipulator changes from traditional position to position manipulation to incremental position manipulation, and has initiative in stead of its traditional passivity role, which could predict the gesture and orientation of the robot in the future according to its displacement. When the robot is close to surrounding, it provides the operator with force cue which guides the operator to control the robot avoiding obstacles automatically. The position velocity control strategy, which combines machine intelligence with human’s high-level decision, could improve effectively the work efficiency and accuracy, reduce the proficiency requirements of operator, alleviate the operational burden on operators, and avoid the blinded manipulation of robot caused by the delay transmission. The strategy has good academic values and wide fields of application in precise manipulation for telemedicine system, security operation for construction equipments, space and underwater development and skills training etc.

为提高机器人高精度作业的效率，减轻操作者的作业负担，改善遥操作系统的安全性与可操作性，申请者提出了基于位置积分的机器人位置速度控制策略，将主手控制器视为积分器，通过位置积分计算出对机器人位置的期望值，实现机器人任务速度与手控器位置的有效对应。手控器对机器人位置的控制由传统的位置对称型转变为位置增量方式；系统可根据手控器位置主动预测出未来时刻机器人的位置，当机器人与环境临近碰撞状态时生成预警力，为操作者提供力觉信息，引导操作者控制机器人避开障碍物。将机器智能与人类决策相结合的位置速度控制策略，可以有效提高机器人的作业精度与效率，减轻操作者的作业负担，降低对操作者技术熟练度的依赖，避免系统延时导致对机器人控制的盲目性。在远程医疗的高精度操作、工程装备的安全性操作、宇宙空间及海底资源开发、技能培训等方面，这种控制策略具有较好的学术价值和广阔的应用前景。

现有的遥操纵系统中因主手手控器与从手机器人在机械结构、尺寸、工作空间等的存在巨大的差异，使遥操作作业中普遍存在着效率低、操作者负担重的问题。针对该问题项目提出了基于位置积分的机器人位置速度控制策略，将主手手控器视为积分器，通过位置积分计算其对机器人位置期望值，实现机器人速度与手控器位置的对应。. 本项目首先研究了基于主手位置积分的位置速度控制方法，实现手控器位置与机器人速度的准确对应；研究了采用位置速度控制策略与采用位置对称型控制策略下的作业任务完成精确度的差别。采用位置速度控制策略的系统，其主手控制器具有一定的主动性。根据手控器的位置信号预测机器人未来时刻的位置；对基于此位置预测的防碰撞预警力构建方法进行研究。最后研究分别采用位置速度控制策略和位置对称型控制策略的主从系统遥操作性的影响；制定主从遥操作系统的合理的评价指标，研究主从遥操作系统操作性的评价方法。. 试验结果表明：以操作相对简单的力反馈操纵杆作为主手控制器，在其操作空间同机器人活动空间存在很大差异的情况下，通过采用位置速度控制策略，能够实现机器人位置的微小进给，精准控制机器人的速度和位置，提高机器人的作业精度与作业效率。作业任务中，根据机器人与周边环境的信息，以及手控器的控制信号，能够对机器人未来时刻的姿态进行实时预测，生成防碰撞预警力，实现机器人与环境间的主动式防碰撞预警。采用层次分析法对主从遥操作系统的操作性进行评价，评价结果表明位置速度控制策略更有利于改善主从系统的操作性，减轻操作者的作业负担，位置速度控制策略更适用于主从遥操作系统。. 在遥操作系统中采用位置速度控制方法，能够有效地提高机器人的作业精度及作业效率；生成必要的预警反馈力警示操作人员，确保机器人及其周围环境的安全；改善主手控制器及系统的操作性，减轻操作者的工作负担。